压电/摩擦电纳米发电机（PENGs/TENGs）可高效收集机械能，并转化为电能，以用于能量供给或自供能传感器。但目前较多已报道的PENGs/TENGs的构筑材料不可降解或生物相容性较差，阻碍了其作为可穿戴电子器件及植入式电子器件的可持续发展。生物基PENGs/TENGs兼具绿色能量收集、可降解、生物相容、可持续和环境友好等优点，在新一代自供能电子器件中具有重大潜力。其中，来源于天然蚕丝的丝素蛋白（SF）具有优异的力学性能、可调控的降解速率和良好的生物降解性，是构筑生物电子器件的理想材料。
图1. SF-PENGs/TENGs及其应用
近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏教授团队从组成结构、工作机理、综合性能、应用场景等多个方面，系统总结了丝素蛋白纳米发电机（SF-PENGs/TENGs）的研究进展，并对其发展前景及挑战进行了分析。相关内容发表于NanoEnergy（Biodegradable silkfibroin-based bio-piezoelectric/triboelectric nanogenerators as self-poweredelectronic devices, 2022, 96, 107101）。论文第一作者为东华大学博士后牛欠欠，通讯作者为东华大学张耀鹏教授，上海市交通大学附属第六人民医院的魏海峰医生及纽约州立大学石溪分校的Benjamin S. Hsiao教授为共同作者。
该综述系统讨论了PENGs和TENGs的结构，及用于制备PENGs/TENGs的丝素蛋白材料；阐述了部分降解型SF-PENGs的制备过程、构筑材料、工作机理和综合性能。但目前尚无全降解型SF-PENGs的相关报道。此外，该综述介绍了部分降解型和全降解型SF-TENGs，阐述了摩擦层、导电层及封装层材料种类，及其工作机理和输出性能。当SF与合成聚合物分别作为摩擦层时，由于SF较弱的得电子能力，在外力作用下与合成聚合物接触后易失去电子带正电，最高输出能量密度可达22.1 W/m2。为实现器件的整体降解，SF、纤维素、米纸等天然高分子作为摩擦层材料制备全降解型SF-TENGs，其降解产物对人体及环境均安全无害。但不同生物基材料的电子捕获能力相差较小，因此其输出性能尤其是输出电流有待提升。SF-PENGs/TENGs已实现在能源供给、电刺激、传感器、实时监测等方面的初步应用（图2），展现了在可穿戴电子器件和植入式生物医药领域的应用潜力。
图2. 自供能SF-PENGs/TENGs的应用
为实现丝素蛋白等生物基PENGs/TENGs在柔性可穿戴和植入式生物医用领域的实际应用，以下问题需得以解决：（1）生物材料的力学性能需要提升，以增加器件的稳定性和耐久性，并满足复杂应用场景的需求；（2）可控的降解速率对生物基电子器件十分重要，但精准调控生物材料的降解速率仍旧较为困难；（3）全降解型PENGs/TENGs的优势明显，但由于生物材料较弱的得电子能力，其输出性能有待提升；（4）生物基封装层的性能需要满足器件的多功能性需求；（5）兼具高精度、微型化和稳定性的生物基PENGs/TENGs的集成制备具有挑战；（6）生物基PENGs/TENGs作为植入式器件时，其生物相容性和生物安全性仍需继续研究。相关研究展望如下：（1）建立丝素蛋白的多层级结构与其机械性能、降解性能、电子捕获能力的构效关系；（2）深入研究封装结构、电极电路、能量管理单元对集成器件输出性能的影响；（3）追踪生物基PENGs/TENGs的降解产物在动物体内的代谢状况及对生物体的影响；（4）拓展生物基PENGs/TENGs的多功能性。
此工作得到了国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人等项目的资助。
